CN112362697A - 一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置和方法。主要是由储水箱、注气瓶、循环泵、稳压器、氮气瓶、预热器、实验段、冷却器、气‑液分离器通过管道连接组成，实验段与电机相连，电机通过传动装置带动不锈钢空心轴转动，进而带动内管转动；同心套管外管外壁通过电热丝过电后加热，储水箱与预热器之间设置有循环泵，冷却水水箱与冷凝器和冷却塔之间设置有冷却泵，管道的相关位置处设置阀门或测量仪表，测量仪表的数据通过无线信号传入数据采集系统及计算机进行数据处理及存储。本发明实现在同心套管装置里内管旋转并同时对外管进行加热，进而较真实地模拟油气开采过程中钻杆钻进时套管环空的对流换热过程。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种用于真实地模拟钻井过程中对流换热的实际情况的内管旋转的同心套管内强迫对流换热实验装置和方法。
背景技术
在油气资源开发过程中，准确识别钻井过程中井筒温度分布是解决井筒压力控制、井壁稳定性预测、井下钻具及随钻设备优化、钻井液性能及降温技术选择等一系列问题的技术前提。目前，大多通过建立井筒温度数学模型，结合适当的边界条件，利用数值计算法得到井筒温度，而对流换热系数是计算井筒温度的关键参数之一。
钻井过程中，钻杆以一定钻速旋转破岩，钻井液以正循环或反循环的方式把岩屑从井底携带至地面，期间钻井液与钻杆及套管发生对流换热，其对流传热关系着对全井筒温度模拟。与静止管道不同，当同心套管的内圆管绕中心轴做自转运动时，环形通道内强迫对流传热表现出特有的规律，其对流换热系数与常规圆管及环形通道的对流换热系数有一定差异。
目前，对于常规圆管内的单相对流换热的研究已经比较成熟，迪图斯-贝尔特公式、齐德-泰特公式、米海耶夫公式以及格尼林斯基公式应用得较为广泛，但与钻井实际情况并不相同。杨丁丁在《套管内海水流动的对流换热特性研究》中搭建了套管内海水流动的实验台对套管内海水流动的对流换热特性进行了研究，但也未涉及到内管旋转并且其实验工质为海水；陈冲在《摇摆对矩形通道传热特性影响的实验研究》中对摇摆状态下窄缝矩形通道内影响单相强制对流换热进行了实验研究，但该方法实验主体是窄缝矩形且在摇摆条件下的对流换热，与钻井实际情况不符。连文磊等人在中国发明专利(CN201811172367.6)提出了一种旋转管内液膜流动沸腾可视化实验装置，但是装置是以液膜流动为研究对象，主要研究旋转管内液膜汽化的高效热控技术。上述实验装置或研究的主要不足在于：没有涉及到内管旋转，实验段角度不能调节，并且没有采用为非牛顿流体的钻井液作为实验工质，难以符合钻井过程中对流换热的实际情况，因此不能满足油气钻采过程中精确计算井筒温度的的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置和方法，研究旋转条件下套管与钻井液的对流换热特性。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，由储水箱1、注气瓶4、循环泵7、稳压器8、氮气瓶12、预热器14、流量计16、实验段21、冷却塔25、冷却水水箱26、冷水循环泵27、冷却器28、气-液分离器31、气体流量计34通过管道连接组成，还包括：多个阀门、多个温度传感器、多个压力测量仪表和数据采集系统及计算机35。
储水箱1与稳压器8之间设置有循环泵7，冷却水水箱26与冷却器28之间设置有冷水循环泵27，温度传感器和压力测量仪表的数据通过无线信号传入数据采集系统及计算机35进行数据处理及存储。
所述的实验段21为内管21-10和外管21-9组成的同心套管，内管可旋转，内管内部填充隔热材料层，外管管壁布置有多个热电偶22并缠绕电加热丝，通过热电偶测量外管21-9的管壁温度，通过电加热丝对实验段加热，实验段21的进出口布置有温度传感器和压力测量仪表进行温度、压力测量。
所述实验段21的外管21-9管壁采用电加热丝加热，电加热丝均匀缠绕在外壁，每匝线圈之间都留有一定的间隙。
所述实验段21的外管21-9管壁设置的热电偶22外包裹有高温绝缘布，高温绝缘布外缠绕电加热丝，以此避免电加热丝对热电偶产生影响。
所述实验段21的内管21-10通过皮带21-13与电机20相连，内管21-10通过轴承和外部固定，实验段21的内管能够自由转动。
所述的稳压器8连接氮气瓶12及阀门，利用氮气瓶12的内压将氮气注入稳压器8，以提供实验所需的系统压力。
所述的预热器14采用电加热式换热器，安装在实验段21入口，通过调压器调节电加热式换热器加热功率，与冷却器28配合，将实验段21入口温度调整至预设值。
所述的冷却器28采用普通的卧式管壳式冷却器，冷却器28安装在实验段21的出口处，用于给通过实验段21温度升高的工质降温。冷却器28管侧流体为加热后的实验工质，壳侧为冷却水，实验工质与冷却水流动方向相反，为逆向冷却。
所述的冷却器28所需的冷却水由冷水循环泵27从冷却水水箱26汲取，提供给换热器进行冷却换热，换热后的冷却水均流入冷却塔25进行冷却，然后再流回冷却水水箱26。
所述的实验工质经过冷却器28冷却后流入气-液分离器31，气-液分离器31的液相通过阀门流回储水箱1，气-液分离的气相经过气体流量计34测量后注回注气瓶4。
所述气-液分离器31两侧设有阀门，注气瓶4两侧设有阀门，冷却器28与储水箱1之间设有阀门，储水箱1与循环泵7之间设有阀门，流量计16入口设有阀门。
进一步地，所述实验段21还包括电机20、皮带主动轮21-12、皮带从动轮21-4、不锈钢空心轴21-5、皮带21-13、球形轴承21-7、圆锥滚子轴承21-11、球形轴承21-14、螺母21-15、角度控制支撑台21-6、密封圈21-1。
电机20的输出轴和皮带主动轮21-12的转轴固连，皮带从动轮21-4呈环状，套在不锈钢空心轴21-5的一端，皮带主动轮21-12和皮带从动轮21-4通过所述皮带21-13传动连接，从而使电机20转动带动实验段内管21-10转动。
内管21-10通过球形轴承21-7、圆锥滚子轴承21-11及球形轴承21-14和外部固定，螺母21-15将实验段21固定在实验段角度控制支撑台21-6上，可根据实验需要改变实验段21角度。
密封圈21-1位于球形轴承21-7上方，避免工质流体泄露。外管21-9外壁及内管21-10内部均设有隔热层21-2，以避免实验过程中热量损失。实验工质从注水口21-3进入实验段21并从出水口21-8流出。角度控制支撑台21-6用于固定实验段及改变实验段角度，主体由两个不锈钢圆环连接而成，不锈钢圆环内侧有螺纹，实验段21穿过不锈钢圆环内部，两端通过螺母固定在角度控制支撑台21-6上，通过调整实验段21两端的固定位置达到实验要求实验段21倾斜角度。
进一步地，所述内管21-10及外管21-9均采用不锈钢材质，实验流体为钻井液或清水。
进一步地，所述的实验段21的内管及外管均采用不锈钢材质钢管，内管内部密实填充隔热材料层，多个电热偶与实验段21外管管壁面紧密压合，用于测量外管壁面温度。
进一步地，所述的电加热丝是铁铬铝电热加热丝，通过合理地布置电加热丝缠绕的匝距，使得电加热丝能够对实验管段进行比较均匀的加热。电加热丝通过调压器来调整热流密度的大小，调压器与一台交流自动调压稳压电源相连以得到稳定的输出电压，保证加热时热流密度的稳定性。电加热丝的有效加热功率达100kW，体积热流密度达到50MW/m3。
实验中，工质流量由位于流量计16出口的阀门调节，并通过流量计16测量流量。实验段21的总加热功率由调压器调节，总的有效换热量根据测得的工质流量和实验段21实验工质进出口温度计算得到。实验段21的平均换热系数是根据测得的实验段21外管壁平均温度、平均实验工质温度和总的有效换热量求得。实验段21环形通道内的流动摩擦阻力系数是根据压力测量仪表测得的压差、实验工质流速、实验工质密度、实验管道长度及管道当量直径计算得到。
本发明还公开了一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验方法，包括：单相强迫对流换热实验和气液两相对流换热实验；
当进行单相强迫对流换热实验时，需先关闭气-液分离器31两侧的阀门和注气瓶4两侧的阀门，打开冷却器28与储水箱1之间的阀门。设置实验段21角度后，打开冷却器28，然后启动冷却水水泵27，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开储水箱1与循环泵7之间的阀门，启动循环泵7，将实验工质从储水箱1中汲出，实验工质经预热器14、流量计16、实验段21、冷却器28后流回储水箱1。实验中，实验工质流量由位于流量计16入口的阀门调节，流量通过流量计16进行测量。
实验段21段的总加热功率由调压器调节，总的有效换热量则是根据测得的工质流量和实验段21实验工质进、出口温度计算得到。实验段21的平均换热系数是根据测得的实验段21外管壁平均温度、平均实验工质温度和总的有效换热量求得。实验段21环形通道内流动摩擦阻力系数是根据压力测量仪表测得的压差、实验工质流速、实验工质密度、实验管道长度及管道当量直径计算得到。
当进行气液两相对流换热实验时，需先打开气-液分离器31两侧的阀门和注气瓶4两侧的阀门，关闭冷却器28与储水箱1之间的阀门。设置实验段21角度后，打开冷却器28，然后启动冷却水水泵27，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开储水箱1与循环泵7之间的阀门，启动循环泵7，实验工质从储水箱1中流出，注气瓶4朝管线中注气后形成气液两相流，气液两相流工质经预热器14、流量计16、实验段21、冷却器28后流入气-液分离器31，经气-液分离器31分离后，液相流回储水箱1，气相经过气体流量计34测量后注回注气瓶4。实验中，实验工质流量通过流量计16进行测量。在此基础上，即可根据总流量和气体流量计算得到实验段21的含气率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明实现了内管旋转条件下环形通道的强迫对流实验，通过实验能让人们认识直管及多角度倾斜管在内管旋转条件下的对流换热规律。通过改变电机的转速、电加热丝两端的电压、注气量、工质的流量及实验段倾斜角度，可以探究旋转加速度、热流密度、含气率、流量及倾斜角对旋转管外环形通道内对流换热现象的影响规律，并求得对流换热系数等参数，为石油工程中高精确度计算井筒温度提供理论依据。
附图说明
图1是本发明实施例实验装置流程图；
图1中：1.储水箱，2.阀门A，3.阀门B，4.注气瓶，5.阀门C，6.阀门D，7.循环泵，8.稳压器，9.阀门E，10.压力测量仪表A，11.阀门F，12.氮气瓶，13.温度传感器A，14.预热器，15.阀门G，16.流量计，17.阀门H，18.压力测量仪表B，19.温度传感器B，20.电机，21.实验段，22.热电偶，23.温度传感器C，24.压力测量仪表C，25.冷却塔，26.冷却水水箱，27.冷水循环泵，28.冷却器，29.阀门I，30.阀门J，31.气-液分离器，32.阀门K，33.阀门L，34.气体流量计，35.计算机。
图2是本发明实施例实验段结构示意图；
图2中：20电机，21-1.密封圈，21-2.隔热层，21-3.注水口，21-4.皮带从动轮，21-5.不锈钢空心轴，21-6.角度控制支撑台，21-7.球形轴承，21-8.出水口，21-9.外管，21-10.内管，21-11.圆锥滚子轴承，21-12.皮带主动轮，21-13.皮带，21-14.球形轴承，21-15.螺母。
图3是本发明实施例角度控制支撑台立体图；
图4是本发明实施例角度控制支撑台侧面示意图；
图5是本发明实施例实验段俯视图；
图6是本发明实施例电加热丝缠绕方式示意图；
图7是本发明实施例实验段的轴向温度测量仪表分布示意图；
图8是本发明实施例实验段的周向温度测量仪表分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、实施方案更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，主要包括储水箱1、注气瓶4、循环泵7、稳压器8、氮气瓶12、预热器14、流量计16、电机20、实验段21、热电偶22、冷却塔25、冷却水水箱26、冷水循环泵27、冷却器28、气-液分离器31，气体流量计34，以及相关的阀门A2、阀门B3、阀门C5、阀门D6、阀门E9、阀门F11、阀门G15、阀门H17、阀门I29、阀门J30、阀门K32、阀门L33，温度测量仪表A13，温度测量仪表B19，温度测量仪表C23，压力测量仪表A10、压力测量仪表B18、压力测量仪表C24和数据采集系统及计算机35。
实验回路中设置的稳压器8用于稳定实验系统压力，使实验在预定压力下进行。稳压器8上设有压力测量仪表A10，读数即为系统压力。流量计16用于工质的流量测量，由于工质温度较高，流量计16机身采用肋片散热。
设置阀门C5用于储水箱1的隔离，设置阀门B2、阀门C3用于注气瓶4的隔离，设置阀门D6用于关闭或开启循环泵7的旁路，设置阀门G15、阀门H17用于流量计16的隔离，设置阀门J30、阀门K32用于气-液分离器31的隔离，阀门E9、阀门F11分别为泄压阀和注气阀，阀门E9与稳压器8相连，用于系统泄压，保护系统安全，阀门F11与氮气瓶12相连，可以根据实验需要给系统加压。
实验中，工质流量由位于流量计16进口的阀门G15调节。工质流量通过流量计16进行流量测量。
实验段21的进口布置有温度传感器B19和压力测量仪表B18；出口布置有温度传感器C23和压力测量仪表C24。
预热器14采用电加热式换热器，安装在流量计16入口，通过调压器调节换热器加热功率，与冷却器28配合，将进入实验段21的实验工质温度调整至预设值。
冷却器28采用普通的卧式管壳式冷却器，冷却器28安装在实验段21的出口处，用于给因通过实验段21温度升高的工质降温。管侧流体为加热后的实验工质，壳侧为冷却水，实验工质与冷却水流动方向相反，为逆向冷却。通过调节冷却水循环泵27的出口流量，来控制实验工质通过冷却器28后的出口温度。在冷却器上方安装有阀门I29，可用来排出不凝性气体。
冷却器28所需的冷却水由冷水循环泵27从冷却水水箱26汲取后提供给换热器进行冷却换热，换热后的冷却水流入冷却塔25进行冷却，然后再流回冷却水水箱26。
实验工质经过冷却器28冷却后流入气-液分离器31，气-液分离器31的液相通过阀门K32流回储水箱1，气-液分离器29的气相经过气体流量计34测量后注回注气瓶2。
如图2所示，实验段由内管可旋转的同心套管组成，所述同心套管通道均采用不锈钢材质。
电机20的输出轴和皮带主动轮21-12的转轴固连，皮带从动轮21-4呈环状，套在不锈钢空心轴21-5的一端，皮带主动轮21-12和皮带从动轮21-4通过所述皮带21-13传动连接，从而使电机20转动带动实验段内管21-10转动。
内管21-10通过球形轴承21-7、圆锥滚子轴承21-11及球形轴承21-14和外部固定，螺母21-15将实验段21固定在实验段角度控制支撑台21-6上，可根据实验需要改变实验段21角度。
密封圈21-1位于球形轴承21-7上方，避免工质流体泄露。外管21-9外壁及内管21-10内部均设有隔热层21-2，以避免实验过程中热量损失。实验工质从注水口21-3进入实验段21并从出水口21-8流出。
如图3和4所示，角度控制支撑台21-6用于固定实验段及改变实验段角度，主体由两个不锈钢圆环连接而成，不锈钢圆环内侧有螺纹，实验段21穿过不锈钢圆环内部，两端通过螺母固定在角度控制支撑台21-6上，通过调整实验段21两端的固定位置达到实验要求实验段21倾斜角度。
如图5所示，实验段内管21-10内部填充有隔热材料层，实验段外管21-9管壁被隔热材料包裹。
实验段外管21-9的外管壁布置有多个热电偶22进行温度测量，热电偶22外包裹高温绝缘布包裹后再缠绕电加热丝，避免电加热丝对热电产生影响，缠绕电加热丝后再使用隔热材料包裹，避免实验段热量损失。
如图6所示，电加热丝为铁铬铝电热扁丝，由中频电源供电，电加热丝均匀缠绕在外壁，每匝线圈之间都留有一定的间隙。通过合理地布置电加热丝缠绕的匝距，使得电加热丝能够对实验管段进行比较均匀的加热。实验通过调压器来调整热流密度的大小，调压器与一台交流自动调压稳压电源相连以得到稳定的输出电压，保证加热时热流密度的稳定性。电加热丝的有效加热功率可达100kW，体积热流密度达到50MW/m3。
如图7和8所示，实验段外管管壁沿长度方向共布置有7个温度测位，每个温度测位沿圆周均匀布置3个热电偶22，7个位置共布置21副热电偶22以测定外管外壁温度，其数据处理取其平均值，以尽量消除温度分布不均给数据带来的影响。
实验段21的电热丝中频电源供电，总加热功率由调压器调节，总的有效换热量则是根据测得的实验段21实验工质流量以及温度传感器B19、温度传感器C23测得的实验段21进、出口温度计算得到；实验段21的平均换热系数是根据测得的实验段21外管平均管壁温度、平均实验工质温和总的有效换热量求得；实验段21环形通道内流动摩擦阻力系数是根据压力测量仪表B18、压力测量仪表C24测得的压差及实验工质流速、实验工质密度、实验管道长度、管道当量直径计算得到。
本发明实验装置既可以进行单相强迫对流换热实验，也可以进行气液两相强迫对流换热实验。
当进行单相强迫对流换热时，需先关闭气-液分离器31两侧的阀门J30、阀门K32和注气瓶两侧的阀门A2、阀门B3，打开阀门L33。设置实验段角度后，打开冷却器28，然后启动冷却水水泵27，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开阀门C5，启动循环泵7，将实验工质从储水箱1中汲出，经预热器14、流量计16、实验段21、冷却器28后流回储水箱1。实验中，工质流量由位于流量计16入口的阀门G15调节，流量通过流量计16进行测量。
实验段的总加热功率由中频电源调节，总的有效换热量则是根据测得的工质流量和实验段进出口温度计算得到。实验段的平均换热系数是根据测得的实验段外管管壁平均温度、平均实验工质温度和总的有效换热量求得。实验段环形通道内流动摩擦阻力系数是根据压力测量仪表测得的压差及实验工质流速、实验工质密度、实验管道长度、管道当量直径计算得到。
当进行气液两相强迫对流换热实验时，需先打开气-液分离器31两侧的阀门J30、阀门K32和注气瓶4两侧的阀门A2、阀门B3，关闭阀门L33。设置实验段角度后，打开冷却器28，然后启动冷却水水泵27，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开阀门C5，启动循环泵7，实验工质从储水箱1中流出，注气瓶4朝管线中注入气体，气液两相流工质经预热器14、流量计16、实验段21、冷却器28后流入气-水分离器31，气液两相流经气-液分离器31分离后，液相通过阀门K32流回储水箱1，气相经过气体流量计34计量后通过阀门A2注回注气瓶4。实验中，气液两相流总流量通过流量计16进行测量。在此基础上，即可根据总流量和气体流量计算得到实验段的含气率。
本发明具有以下优点:
1、实验系统既可以进行单相强迫对流换热实验，也可以进行气液两相强迫对流换热实验，可以模拟钻井过程中钻井液循环条件下的对流换热情况，也可模拟发生气侵时的对流换热情况。
2.实验系统可以在多种倾斜角度下进行实验，使得本发明可模拟钻进时直井段及倾斜井段的对流换热情况。
3.实验系统可以内管旋转条件下的传热实验，也可以进行静止条件下的传热实验，进而对比得出旋转对钻井过程对流传热的影响规律，不仅实现一台多用，而且可以在宽广的参数范围内进行实验研究，为石油工程中高精确度计算井筒温度提供理论依据。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，其特征在于：由储水箱(1)、注气瓶(4)、循环泵(7)、稳压器(8)、氮气瓶(12)、预热器(14)、流量计(16)、实验段(21)、冷却塔(25)、冷却水水箱(26)、冷水循环泵(27)、冷却器(28)、气-液分离器(31)、气体流量计(34)通过管道连接组成，还包括：多个阀门、多个温度传感器、多个压力测量仪表和数据采集系统及计算机(35)；
储水箱(1)与稳压器(8)之间设置有循环泵(7)，冷却水水箱(26)与冷却器(28)之间设置有冷水循环泵(27)，温度传感器和压力测量仪表的数据通过无线信号传入数据采集系统及计算机(35)进行数据处理及存储；
所述的实验段(21)为内管(21-10)和外管(21-9)组成的同心套管，内管可旋转，内管内部填充隔热材料层，外管管壁布置有多个热电偶(22)并缠绕电加热丝，通过热电偶测量外管(21-9)的管壁温度，通过电加热丝对实验段加热，实验段(21)的进出口布置有温度传感器和压力测量仪表进行温度、压力测量；
所述实验段(21)的外管(21-9)管壁采用电加热丝加热，电加热丝均匀缠绕在外壁，每匝线圈之间都留有一定的间隙；
所述实验段(21)的外管(21-9)管壁设置的热电偶(22)外包裹有高温绝缘布，高温绝缘布外缠绕电加热丝，以此避免电加热丝对热电偶产生影响；
所述实验段(21)的内管(21-10)通过皮带(21-13)与电机(20)相连，内管(21-10)通过轴承和外部固定，实验段(21)的内管能够自由转动；
所述的稳压器(8)连接氮气瓶(12)及阀门，利用氮气瓶(12)的内压将氮气注入稳压器(8)，以提供实验所需的系统压力；
所述的预热器(14)安装在实验段(21)入口，与冷却器(28)配合，将实验段(21)入口温度调整至预设值；
所述冷却器(28)安装在实验段(21)的出口处，用于给通过实验段(21)温度升高的工质降温；冷却器(28)管侧流体为加热后的实验工质，壳侧为冷却水，实验工质与冷却水流动方向相反，为逆向冷却；
所述的冷却器(28)所需的冷却水由冷水循环泵(27)从冷却水水箱(26)汲取，提供给换热器进行冷却换热，换热后的冷却水均流入冷却塔(25)进行冷却，然后再流回冷却水水箱(26)；
所述的实验工质经过冷却器(28)冷却后流入气-液分离器(31)，气-液分离器(31)的液相通过阀门流回储水箱(1)，气-液分离的气相经过气体流量计(34)测量后注回注气瓶(4)；
所述气-液分离器(31)两侧设有阀门，注气瓶(4)两侧设有阀门，冷却器(28)与储水箱(1)之间设有阀门，储水箱(1)与循环泵(7)之间设有阀门，流量计(16)入口设有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，其特征在于：所述实验段(21)还包括电机(20)、皮带主动轮(21-12)、皮带从动轮(21-4)、不锈钢空心轴(21-5)、皮带(21-13)、球形轴承(21-7)、圆锥滚子轴承(21-11)、球形轴承(21-14)、螺母(21-15)、角度控制支撑台(21-6)和密封圈(21-1)；
电机(20)的输出轴和皮带主动轮(21-12)的转轴固连，皮带从动轮(21-4)呈环状，套在不锈钢空心轴(21-5)的一端，皮带主动轮(21-12)和皮带从动轮(21-4)通过所述皮带(21-13)传动连接，从而使电机(20)转动带动实验段内管(21-10)转动；
内管(21-10)通过球形轴承(21-7)、圆锥滚子轴承(21-11)及球形轴承(21-14)和外部固定，螺母(21-15)将实验段(21)固定在实验段角度控制支撑台(21-6)上，可根据实验需要改变实验段(21)角度；
密封圈(21-1)位于球形轴承(21-7)上方，避免工质流体泄露；外管(21-9)外壁及内管(21-10)内部均设有隔热层(21-2)，以避免实验过程中热量损失；实验工质从注水口(21-3)进入实验段(21)并从出水口(21-8)流出；角度控制支撑台(21-6)用于固定实验段及改变实验段角度，主体由两个不锈钢圆环连接而成，不锈钢圆环内侧有螺纹，实验段(21)穿过不锈钢圆环内部，两端通过螺母固定在角度控制支撑台(21-6)上，通过调整实验段(21)两端的固定位置达到实验要求实验段(21)倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，其特征在于：所述内管(21-10)及外管(21-9)均采用不锈钢材质，实验流体为钻井液或清水。
4.根据权利要求3所述的一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，其特征在于：所述的实验段(21)的内管及外管均采用不锈钢材质钢管，内管内部密实填充隔热材料层，多个电热偶与实验段(21)外管管壁面紧密压合，用于测量外管壁面温度。
5.根据权利要求4所述的一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置，其特征在于：所述的电加热丝是铁铬铝电热加热丝，电加热丝通过调压器来调整热流密度的大小，调压器与一台交流自动调压稳压电源相连以得到稳定的输出电压，保证加热时热流密度的稳定性；电加热丝的有效加热功率达100kW，体积热流密度达到50MW/m3。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的一种内管旋转的同心套管强迫对流换热实验装置的实验方法，其特征在于，包括：单相强迫对流换热实验和气液两相对流换热实验；
当进行单相强迫对流换热实验时，需先关闭气-液分离器(31)两侧的阀门和注气瓶(4)两侧的阀门，打开冷却器(28)与储水箱(1)之间的阀门；设置实验段(21)角度后，打开冷却器(28)，然后启动冷却水水泵(27)，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开储水箱(1)与循环泵(7)之间的阀门，启动循环泵(7)，将实验工质从储水箱(1)中汲出，实验工质经预热器(14)、流量计(16)、实验段(21)、冷却器(28)后流回储水箱(1)；实验中，实验工质流量由位于流量计(16)入口的阀门调节，流量通过流量计(16)进行测量；
实验段(21)段的总加热功率由调压器调节，总的有效换热量则是根据测得的工质流量和实验段(21)实验工质进、出口温度计算得到；实验段(21)的平均换热系数是根据测得的实验段(21)外管壁平均温度、平均实验工质温度和总的有效换热量求得；实验段(21)环形通道内流动摩擦阻力系数是根据压力测量仪表测得的压差、实验工质流速、实验工质密度、实验管道长度及管道当量直径计算得到；
当进行气液两相对流换热实验时，需先打开气-液分离器(31)两侧的阀门和注气瓶(4)两侧的阀门，关闭冷却器(28)与储水箱(1)之间的阀门；设置实验段(21)角度后，打开冷却器(28)，然后启动冷却水水泵(27)，并将冷却水流量调整至适当值，之后再打开储水箱(1)与循环泵(7)之间的阀门，启动循环泵(7)，实验工质从储水箱(1)中流出，注气瓶(4)朝管线中注气后形成气液两相流，气液两相流工质经预热器(14)、流量计(16)、实验段(21)、冷却器(28)后流入气-液分离器(31)，经气-液分离器(31)分离后，液相流回储水箱(1)，气相经过气体流量计(34)测量后注回注气瓶(4)；实验中，实验工质流量通过流量计(16)进行测量；在此基础上，即可根据总流量和气体流量计算得到实验段(21)的含气率。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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